5. Dự kiến đóng góp mới
2.2.2. Tính chất siêu dẫn
Để kiểm tra tính chất siêu dẫn của mẫu, ta sử dụng phép đo bốn mũi dò. Trong phƣơng pháp này, Vôn kế và Ampe kế đƣợc mắc riêng biệt nhƣ hình 2.3.
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí Vôn kế và Ampe kế trong phép đo 4 mũi dò
Trên sơ đồ ta thấy, hai mũi (1) và (4) đo dòng đặt vào, hai mũi (2) và (3) đo thế hiệu hai đầu điện trở. Với cách bố trí nhƣ vậy, ta đã loại đƣợc thành phần điện trở của hai đầu dò đo dòng vào điện trở tổng cộng. Ta sẽ tính toán thành phần điện trở của hai đầu dò đo thế theo mạch điện hình
Hình2.4. Sơ đồ phân bố dòng điện, điện trở thành phần trong mạch điện phép đo 4 mũi dò
Gọi đoạn mạch AB là đoạn mạch đo thế hiệu giữa hai đầu điện trở Rs, theo tính chất điện trở của đoạn mạch mắc song song ta có
R1 = RV + Rp2 + Rcp2 + Rsp2 + Rp3 + Rcp3 + Rsp3
R2 = Rs
với R1 và R2 lần lƣợt là điện trở của đoạn mạch chứa Vôn kế và điện trở của đoạn mạch chứa điện trở Rs cần đo.
Dòng điện qua đoạn mạch AB: I = I1 + Is với I1 là dòng qua Vôn kế và Is là dòng qua Rs.
Thế hiệu ở hai đầu đoạn mạch chứa VA2B = VASB
Nhƣ vậy, nếu I1 rất nhỏ (để sụt thế không đáng kể khi dòng chạy qua các thành phần điện trở) nên I ≈ Is. Để làm đƣợc điều này, ngƣời ta luôn mắc Vôn kế có trở kháng cao, khi đó số chỉ Vôn kế sẽ xấp xỉ thế hiệu ở hai đầu Rs. Áp dụng định luật Ôm theo công thức V = IR hoặc R = V/I, ta sẽ tính đƣợc giá trị Rs.
Chƣơng 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tính chất cấu trúc của màng siêu dẫn GdBCO
3.1.1. Cấu trúc tinh thể
Cấu trúc tinh thể của các mẫu đƣợc khảo sát tại nhiệt độ phòng sử dụng một nhiễu xạ tia X Siemens D5005 với bƣớc song Cu. Đối với các mẫu đã đƣợc sử dụng phép đo này, bao gồm các mẫu vật liệu ban đầu đƣợc chế tạo tại các nhiệt độ T = 7400
C, 7800C, 8000C, 8200C. Giản đồ nhiễu xạ tia X thu đƣợc trên các mẫu vật liệu sau khi nung tại nhiệt độ T = 7400C, 7800C, 8000C, 8200C đƣợc trình bày trên hình 3.1.
Từ hình vẽ ta thấy các mẫu vật liệu GdBCO đƣợc nung ở các nhiệt độ T = 7400C, 7800C, 8000C, 8200C đều xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ ứng với các kí hiệu (00l) với l: 2 → 7, đƣợc tra trong bảng số liệu Xray chuẩn. Các đỉnh này tƣơng ứng với các mặt phẳng (00l) nên tất cả các mặt phẳng nguyên tử trong một ô cơ sở của mẫu GdBCO có xu hƣớng song song với nhau và đều vuông góc với trục c.
Kết quả này cho ta thấy mẫu GdBCO chế tạo ở đây có tính chất định hƣớng theo trục c, việc không xuất hiện đỉnh Xray lạ bên cạnh các đỉnh (00l) chứng tỏ màng chế tạo không có tạp chất. Từ hình vẽ ta thấy ta thấy rằng ở nhiệt độ 8000C có cƣờng độ nhiễu xạ tia X lớn nhất, và đây có thể là nhiệt độ tối ƣu để chế tạo màng siêu dẫn GdBCO.
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu vật liệu GdBa2Cu3O7-δ chế tạo tại các nhiệt độ 7400C, 7800C, 8000C, 8200C
3.1.2. Hình thái bề mặt mẫu
Hình thái bề mặt của màng GdBCO đƣợc kiểm tra, nghiên cứu bằng cách sử dụng kính hiển vi quét SEM. Hình 3.3 cho ta ảnh SEM của mẫu chế tạo ở các nhiệt độ 7400C, 7800C, 8000C, 8200C có giản đồ nhiễu xạ tia X đã trình bày ở
trên.
Quan sát ảnh SEM của các mẫu chế tạo tại bốn nhiệt độ khác nhau ta thấy: Tại nhiệt độ chế tạo thấp T =740oC (hình 3.2(a)), bề mặt mẫu không nhẵn, không đều. Bên cạnh những hạt có kích thƣớc lớn cỡ micro – hạt đặc trƣng của mẫu chế tạo bằng phƣơng pháp PLD, là sản phẩm thứ cấp của quá trình tƣơng
(a) (b)
(c) (d)
Hình 3.2. Ảnh SEM của màng GdBCO ở các nhiệt độ 7400C (a), 7800C (b), 8000C (c) và 8200C (d).
8200C
2µm
2µm 2µm
tác giữa laze với bia, bề mặt mẫu còn có nhiều dạng phân bố hình học ( hình vuông, hình chữ nhật, hình que ) nằm rải rác trên mặt mẫu. Các phân bố này sẽ song song với mặt phẳng (ab) khiến cho lớp bề mặt của mẫu không hoàn toàn định hƣớng theo trục c mà sẽ ngả dần sang định hƣớng theo mặt phẳng (ab). Kết quả là tính siêu dẫn của mẫu có thể bị giảm. Khi tăng nhiệt độ T = 780oC (hình 3.2(b)), hình dạng và kích thƣớc của các dạng phân bố hình học này giảm, thu lại thành những dạng hình kim, chứng tỏ phần bề mặt định hƣớng theo mặt phẳng (ab) đã giảm. Tại T = 800oC (hình 3.2(c)), bề mặt mẫu nhẵn, đều, ngoài ra có một số hạt cỡ 0,5µm đến 1µm ( do hệ PLD ) ta không thấy các dạng phân bố hình học nhƣ hai mẫu trƣớc. Kết quả này cho màng GdBCO hoàn toàn định hƣớng theo trục c. Tại T = 820o
C (hình 3.2(d)), bề mặt mẫu bắt nhám trở lại và xuất hiện trạng thái nứt gãy bề mặt và các vùng vật liệu không hoàn toàn liên kết với nhau. Hiện tƣợng này có thể do nhiệt độ đế quá cao. Từ kết quả hình thái bề mặt, ta thấy T = 800oC là nhiệt độ tối ƣu để chế tạo màng GdBCO định hƣớng theo trục c.
3.2. Tính chất siêu dẫn
Bằng phƣơng pháp 4 mũi dò ( Hai mũi dò đo V và hai mũi dò đo I ) ta có đồ thị điện trở phụ thuộc nhiệt độ của các mẫu ở các nhiệt độ 7400
C, 7800C, 8000C, 8200C. Nhìn chung, từ đồ thị ta thấy ở vùng nhiệt độ cao trên 95 K, thì điện trở của mẫu có đặc trƣng kim loại. Khi T ~ 91K, 92K thì điện trở của mẫu đột ngột giảm đến nhiệt độ xác định TC ( R = 0 ).
Nhiệt độ chế tạo ( 0C ) TC ( K) ∆TC ( K) 780 89,2 2,3 800 92,1 1,6 820 89,7 2,3
Từ đồ thị và bảng số liệu ta thấy rằng:
- Màng GdBCO chế tạo ở 800oC có nhiệt độ tới hạn TC = 92,1K cao nhất và có độ rộng chuyển pha ∆TC = 1,6K nhỏ nhất điều đó chứng tỏ ở nhiệt độ 8000C cho mẫu là đồng đều nhất, điều này phù hợp với kết quả hình thái bề mặt, mẫu này có tính định hƣớng theo trục c tốt nhất.
- Màng GdBCO chế tạo ở nhiệt độ 7800C và ở nhiệt độ 8200C có nhiệt độ tới hạn TC lần lƣợt là 89,2 K và 89.7 K, nhỏ hơn Tc của mẫu chế tạo ở 800oC. Độ rộng chuyển pha ∆TC của hai mẫu này vào khoảng 2.3 K, lớn hơn giá trị thu đƣợc của mẫu chế tạo ở 800o
C, điều đó chứng tỏ ở nhiệt độ 7800C và ở nhiệt độ 8200C cho mẫu không đồng đều, có vùng siêu dẫn kém. Vì các vùng khác nhau trên bề mặt mẫu có nhiệt độ Tc là khác nhau từ đó dẫn tới độ rộng chuyển pha lớn.
KẾT LUẬN
Trong khóa luận của mình em đã đạt đƣợc kết quả nhƣ sau:
1. Đã chế tạo thành công vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao sử dụng phƣơng pháp phản ứng pha rắn.
2. Đã nghiên cứu cấu trúc tinh thể và hình thái bề mặt của các mẫu tại các nhiệt độ khác nhau ( 740oC, 780oC, 800oC, 820oC ) bằng phƣơng pháp XRD và SEM. Kết quả cho thấy các mẫu chế tạo (GdBCO ) đều định hƣớng theo trục c, và mẫu này không có tạp chất.
3. Đã sử dụng phƣơng pháp đo điện trở 4 mũi dò để đo điện trở R phụ thuộc vào nhiệt độ T, từ đó thấy đƣợc ở vùng nhiệt độ cao trên 95K thì điện trở của mẫu có đặc trƣng kim loại và khi nhiệt độ T ~ 91K, 92K thì điện trở của mẫu đột ngột giảm, và đến nhiệt độ xác định (TC) thì điện trở này giảm về 0.
5. Đã tìm ra đƣợc mẫu ở nhiệt độ 8000C có đỉnh nhiễu xạ cao nhất và hình thái bề mặt của mẫu nhẵn đều, ngoài ra mẫu này còn có nhiệt độ tới hạn TC cao nhất và độ rộng chuyển pha ∆ TC nhỏ nhất, từ đó đƣa ra kết luận mẫu ở nhiệt độ 8000C là điều kiện tối ƣu để chế tạo vật liệu siêu dẫn.
Những kết quả này mở ra khả năng ứng dụng của màng GdBCO có tính siêu dẫn cao, đáp ứng nhu cầu cuộc sống và khoa học kỹ thuật.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1]. Nguyễn Huy Sinh, Vật lý siêu dẫn, NXBGD, 2005
[2]. Thân Đức Hiền, Nhập môn về siêu dẫn (Vật liệu, tính chất và ứng dụng), NXB Bách Khoa – Hà Nội, (2009)
Tiếng Anh
[3]. C.V.Varanasi, J.Burke, J.H.Lee, Appl.Phys.Left.93, 092501 (2008) [4]. S.R.Foltyn, P.Tiwari, R.C.Dye, M.Q.Le and X.D.Wu, Appl.Phys.left.63, 1848 (1993)
[5]. M.Murawaki, N.Sakai, T.Higuchi and S.I.Yoo, Supercond, Sci.Technol.9, 1015 (1996)